本發(fā)明涉及油田化學(xué)，具體是一種固井用低分子量復(fù)合抗污染劑。

背景技術(shù)：

1、隨著油氣井勘探和開發(fā)的深入，鉆井作業(yè)面臨著高溫穩(wěn)定性、儲(chǔ)層保護(hù)和頁(yè)巖水化等多方面的挑戰(zhàn)。目前，針對(duì)深井和超深井的水基鉆井液體系中，kcl/聚磺水基鉆井液因其在高溫穩(wěn)定性、防塌抑制性和儲(chǔ)層保護(hù)等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，成為較為理想的選擇。雖然kcl/聚磺水基鉆井液具有以上較多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一個(gè)較為嚴(yán)重的工程難題。當(dāng)鉆井作業(yè)完成后，水泥漿固井作為完井過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，面臨著kcl/聚磺水基鉆井液與水泥漿化學(xué)兼容性差、容易發(fā)生接觸污染的問題，進(jìn)一步影響固井施工的質(zhì)量。而固井施工是一個(gè)系統(tǒng)性工程，具有施工時(shí)間短、技術(shù)性強(qiáng)、未知因素多、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。固井質(zhì)量不僅直接影響油氣井能否順利完成，還關(guān)乎油氣井的使用壽命和產(chǎn)量。因此，保證固井水泥環(huán)的完整性，以實(shí)現(xiàn)井控安全、有效隔離和支撐地下油氣水層，是固井作業(yè)的核心目標(biāo)。

2、然而，在實(shí)際固井施工中，隔離液和沖洗液的沖洗效率往往無(wú)法達(dá)到100%，導(dǎo)致水泥漿與鉆井泥漿殘留物不可避免地發(fā)生接觸污染。這種污染可能因鉆井液兼容性等因素，引發(fā)注水泥過程中的復(fù)雜情況，甚至導(dǎo)致固井作業(yè)失敗。具體表現(xiàn)為水泥漿出現(xiàn)“包芯、鼓包”以及稠化時(shí)間過短等問題，嚴(yán)重時(shí)還可能引發(fā)套管內(nèi)堵塞、環(huán)空橋堵、鉆柱或油管注水泥后無(wú)法起出等事故，即所謂的“灌香腸”和“插旗桿”現(xiàn)象。這些問題不僅增加了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，還可能對(duì)油氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率造成不利影響。因此，如何有效解決固井過程中鉆井液對(duì)水泥漿的污染問題，提升水泥環(huán)的完整性和固井質(zhì)量，成為當(dāng)前油氣井開發(fā)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

3、其背后的污染機(jī)理主要為：

4、（1）鉆井液處理劑大分子聚合物中存在大量強(qiáng)吸附基團(tuán)，比如羧基（-cooh）、磺酸基（-so3h）和酰胺基（-conh2）等。這些強(qiáng)吸附基團(tuán)在水泥漿這種強(qiáng)堿性條件下，發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)，導(dǎo)致這類基團(tuán)吸附性非常強(qiáng)。與此同時(shí)，水泥漿體系由于在水化過程中產(chǎn)生較多的金屬離子以及水泥顆粒表面暴露著較多的活性位點(diǎn)，導(dǎo)致水泥漿體系與鉆井液發(fā)生摻混后，鉆井液中的聚合物組分中活性強(qiáng)吸附基團(tuán)會(huì)與金屬離子以及水泥顆粒發(fā)生吸附反應(yīng)，離子與離子，顆粒與顆粒之間產(chǎn)生膠凝結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致混漿流動(dòng)度嚴(yán)重下降。

5、（2）聚合物分子具有強(qiáng)吸附性，通過與ca2+發(fā)生螯合反應(yīng)，形成不溶于水的沉淀物，降低了溶液中的ca2+濃度，無(wú)法滿足水化所需，從而降低了水泥水化過程。

6、（3）鉆井液中磺化材料處理劑在高溫120℃左右時(shí)，發(fā)生水解形成大量羧基，與高價(jià)金屬離子發(fā)生架橋作用，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，體系的黏度大幅度增加。隨著磺酸基的大量水解，黏度進(jìn)一步增加，水泥漿出現(xiàn)“鼓包”和“包芯”等異?，F(xiàn)象。

7、目前，最常用的方法是加大隔離液用量以及在隔離液中加入高加量緩凝劑或者其他酸性物質(zhì)來(lái)延長(zhǎng)被鉆井液污染水泥漿的稠化時(shí)間。但該方法首先并沒有從根本上解決污染問題，在固井作業(yè)中還是面臨水泥漿與鉆井液的接觸污染，其次大量的隔離液和緩凝劑使用意味著成本的提高，和目前的降本增效大環(huán)境背道而馳。因此，開發(fā)一種高效和便捷的抗污染劑是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提出了一種固井用低分子量復(fù)合抗污染劑，可有效減輕現(xiàn)有的鉀聚磺水基鉆井液對(duì)水泥漿污染，提高摻混漿體的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，抑制“包芯”和“鼓包”等現(xiàn)象，對(duì)提高水基鉆井液的沉降穩(wěn)定性有顯著提升作用，同時(shí)不會(huì)對(duì)水泥漿水化造成負(fù)面影響。

2、本發(fā)明公開了一種固井用低分子量復(fù)合抗污染劑，以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，組成如下：

3、低分子量膦酸聚合物溶液?????????????60~85

4、硅酸鹽溶液?????????????????????????15~40；

5、其制備方法為，將低分子量膦酸聚合物溶液和硅酸鹽溶液在不高于40℃的條件下，以200~400r/min的速度攪拌至均勻。

6、本發(fā)明的一種實(shí)施方式在于，所述硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸鈉、硅酸鉀中至少一種，硅酸鹽模數(shù)為1.2~2.5。

7、本發(fā)明的一種實(shí)施方式在于，所述硅酸鹽溶液的制備方法包括以下步驟：將硅酸鹽粉末在40℃~70℃條件下以300~500r/min的速度在去離子水中攪拌至少2h至均勻，配制得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%~45%的硅酸鹽溶液。

8、本發(fā)明的一種實(shí)施方式在于，所述低分子量膦酸聚合物溶液的制備方法包括以下步驟：將低分子量膦酸聚合物粉末在常溫下以300~500r/min的速度在去離子水中攪拌至少2h至均勻，配制得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%~60%的低分子量膦酸聚合物溶液。

9、本發(fā)明的一種實(shí)施方式在于，所述低分子量膦酸聚合物的制備方法包括以下步驟：

10、步驟s1：將含膦酸基團(tuán)單體、含剛性基團(tuán)單體、含羧酸基團(tuán)單體以物質(zhì)的量比為4~7:2~4:1~3的比例混合溶于去離子水中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~50%的單體溶液；

11、步驟s2：將占單體總質(zhì)量3%~20%的鏈轉(zhuǎn)移劑加入單體溶液中以200~300r/min的速度攪拌溶解，攪拌過程中在惰性氣體保護(hù)下升溫至45℃；

12、步驟s3：向單體溶液中攪拌滴加濃度為10%~20%的引發(fā)劑去離子水溶液，30min~50min以內(nèi)滴加完畢，之后在50℃~70℃條件下反應(yīng)3h~8h，其中，引發(fā)劑去離子水溶液中引發(fā)劑占單體總質(zhì)量的0.05%~1.5%；

13、步驟s4：對(duì)反應(yīng)物在30℃~80℃條件下減壓蒸餾，冷卻至室溫后冷凍、干燥、研磨成粉即得。

14、進(jìn)一步的，所述含膦酸基團(tuán)單體為乙烯基膦酸、二甲基-乙烯基膦酸酯、二乙基-乙烯基膦酸酯和2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷膦酸中的一種。

15、進(jìn)一步的，所述含剛性基團(tuán)單體為n-乙烯基吡咯烷酮、4-丙烯酰嗎啉中的一種。

16、進(jìn)一步的，所述含羧酸基團(tuán)單體為丙烯酸、順丁烯二酸、甲基丙烯酸和衣康酸中的一種。

17、進(jìn)一步的，所述鏈轉(zhuǎn)移劑為巰基乙醇、異丙醇、三乙胺、正丁醇、亞硫酸氫鈉中的一種或多種的組合。

18、進(jìn)一步的，所述引發(fā)劑為過硫酸銨、過硫酸鈉、過硫酸鉀中的一種。

19、本發(fā)明的抗污染機(jī)理可參見圖6所示：低分子量膦酸聚合物，具有大量的膦酸基強(qiáng)吸附性基團(tuán)，吸附強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鉀聚磺水基鉆井液中磺化類處理劑，通過強(qiáng)吸附膦酸基團(tuán)來(lái)屏蔽水泥漿中金屬離子與活性位點(diǎn)，抑制鉆井液處理劑與水泥漿反應(yīng)，避免形成團(tuán)聚的膠凝結(jié)構(gòu)。由于抗污染劑中的聚合物屬于低分子多吸附位點(diǎn)聚合物，很大程度上僅吸附在單個(gè)水泥顆粒或與金屬離子形成多配齒螯合物，減少了抗污染劑在水泥顆粒與顆粒之間交聯(lián)的可能，抑制污染混漿產(chǎn)生“包芯”、稠化時(shí)間縮短和初始稠度過高等問題。其中的剛性基團(tuán)則提高了抗污染劑在高溫下的耐溫性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與此同時(shí)，抗污染劑中的硅酸根能夠與水泥漿中ca2+反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，降低溶液中ca2+濃度，抑制磺化材料在高溫100℃~130℃下磺酸基水解后產(chǎn)生的大量吸附性基團(tuán)與ca2+反應(yīng)，抑制污染混漿產(chǎn)生“鼓包”不良現(xiàn)象，達(dá)到抗污染的目的，同時(shí)硅酸根在與ca2+反應(yīng)生成硅酸鈣后，也促進(jìn)了水泥漿的水化過程。

20、本發(fā)明加入水基鉆井液后，能夠?qū){體同時(shí)起到高溫懸浮穩(wěn)定的作用，其作用原理是：低分子量膦酸聚合物吸附在固體顆粒上，其中的羧基基團(tuán)使水泥顆粒帶上負(fù)電荷，從而使給固體顆粒之間產(chǎn)生靜電排斥作用并使給固體顆粒分散。

21、本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

22、（1）本發(fā)明加入鉆井液或水泥漿體系后能夠形成穩(wěn)定漿體，在低加量條件下能夠滿足抗污染需求，可顯著減少隔離液的用量。

23、（2）與傳統(tǒng)緩凝劑類抗污染劑利用緩凝作用來(lái)延長(zhǎng)稠化時(shí)間相比，本發(fā)明還對(duì)抑制“鼓包”、“包芯”現(xiàn)象和降低污染混漿稠度具有十分顯著的作用，稠化時(shí)間超過未污染水泥漿稠化時(shí)間，初始稠度小于30bc。

24、（3）本發(fā)明可用于常規(guī)鉆井液與水泥漿的污染控制，也可用于高溫、高壓、高鹽等復(fù)雜地層的固井作業(yè)。

25、（4）本發(fā)明適用范圍廣泛，在兼顧抗污染劑功能的前提下，還兼具水基鉆井液懸浮劑的作用，添加了本發(fā)明的鉆井液經(jīng)老化后，沉降穩(wěn)定性明顯優(yōu)于未添加的鉆井液。

26、（5）本發(fā)明中的低分子量膦酸聚合物與硅酸鹽具有協(xié)同作用，硅酸鹽能夠促進(jìn)水泥的水化，對(duì)水泥漿、隔離液和水基鉆井液摻混后，混漿的強(qiáng)度發(fā)展遠(yuǎn)強(qiáng)于未加入抗污染劑鉆井液。